Hidraulica

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Escoamento em canais
Canal abeto é onde o escoamento flui com a superfície livre, exposta à atmosfera. Também é considerado canal aberto condutos que não estão completamente preenchidos por um fluido. Nesse escoamento o mecanismo principal que o promove é o peso do fluido. Uma característica do escoamento em canal aberto é que não existe a atuação do gradiente de pressão, isso porque a inérciae os efeitos viçosos no gás localizada na superfície são desprezíveis. Portanto, geralmente o escoamento em canal aberto é turbulento e não é afetado pela tensão superficial.
Alguns exemplos de escoamento em canais abertos são:
* Riachos escoando através de campos;
* Escoamentos em calhas ao longo de telhados ou ruas;
* Escoamentos em suprimentos de água, irrigação e canais decontrole de inundação;
* Escoamentos em córregos e rios;
Características do escoamento em canal aberto
Por possuir uma superfície livre o escoamento em canal aberto permite que haja outras classificações de escoamento. Isso, pois, o fluido “escolhe” a posição da superfície livre e a configuração do escoamento.
A forma com que a profundidade do escoamento varia com o tempo, e com a distância aolongo do canal, pode ser usada para classificar o escoamento.

Escoamento uniforme em regime permanente
No escoamento uniforme a profundidade de água é constante. Isso quer dizer que o escoamento é igual em toda extensão do canal. Então a profundidade da água, a área molhada da seção molhada da seção transversal e a velocidade se mantêm constante. A profundidade do escoamento em um escoamentouniforme em canal aberto é chamada de profundidade normal.
Energia
A equação de energia para um escoamento em canal aberto pode ser deduzida tendo com base o de um escoamento tubular.
Hl=p1 ρg+α1V²12g+z1-p2 ρg+α2V²22g+z2 (1)
* ρ - pressão estática;
* V− velocidade média;
* z− elevação;
* α - coeficiente de energia cinética;
Do mesmo modo que em tubos,em canais o efeito do atrito diminui a energia do escoamento. Em geral considera-se α≈1, por termos escoamento turbulento. A distribuição de pressão é hidrostática, tendo p=ρgy em cada seção, onde y é a profundidade normal. Temos então:
Hl=y1+α1V²12g+z1-y2+α2V²22g+z2 (2)
Em escoamentos onde a profundidade é constante, temos que V1=V2 e y1=y2, nos dando:
Hl=z1-z2(3)
Essa equação estabelece que a vazão é tal que a perda de pressão equivale à redução de pressão devido a inclinação do canal. Dividindo os dois lados da equação pelo comprimento do volume de controle,L, é obtida a perda de pressão por unidade de comprimento, If.
If=HlL=z1-z2L (4)
Tendo assim que a inclinação de atrito é igual a inclinação dofundo do canal. A inclinação do fundo do canal Io=tanθ sendo θ o ângulo de inclinação. Caso θ<10° , tanθ ≈ senθ = z1-z2L.

Resistência de escoamento
As forças que atuam no volume de controle fluido são de atrito, da gravidade e pressão hidrostática.

A força de atrito, Ff, é igual ao produto da tensão de cisalhamento na parede do canal τ0 pela área que a tensão age, A.
Ff=-τ0A(5)
O sinal negativo significa que a força de atrito age contrária ao escoamento. A força da gravidade, Fg, sobre o fluido é uma componente do peso que age no sentido do escoamento, isto é:
Fg=γALsenθ (6)
As forças hidrostáticas, F1 e F2, são iguais em escoamento uniforme, tendo então que, F1-F2=0.. Usando a formula geral daequação da quantidade de movimento temos.
F1+Fg+Ff-F2=0 (7)
A somas das forças são zero porque o escoamento está em regime permanente, e não existe nenhuma interferência durante o percurso, isto é, não existe variação de quantidade de movimento.
Como F1-F2=0, então Fg-Ff=0. Temos:
γALsenθ-Ff=0 (8)
já que para pequenas angulações, Io=senθ...
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